Depuis plus d'une décennie, les ingénieurs ont lorgné la ligne d'arrivée dans la course pour réduire la taille des composants dans les circuits intégrés. Ils savaient que les lois de la physique avaient fixé un seuil de 5 nanomètres sur la taille des grilles des transistors parmi les semi-conducteurs conventionnels, environ un quart de la taille des transistors haut de gamme à grille de 20 nanomètres actuellement sur le marché.

Certaines lois sont faites pour être enfreintes, ou du moins contestée.

Une équipe de recherche dirigée par le chercheur Ali Javey du Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département de l'énergie (Berkeley Lab) a fait exactement cela en créant un transistor avec une grille fonctionnelle de 1 nanomètre. En comparaison, une mèche de cheveux humains vaut environ 50, 000 nanomètres d'épaisseur.

"Nous avons fabriqué le plus petit transistor signalé à ce jour, " dit Javey, chercheur principal principal du programme Electronic Materials de la division Science des matériaux du Berkeley Lab. "La longueur de la grille est considérée comme une dimension déterminante du transistor. Nous avons démontré un transistor à grille de 1 nanomètre, montrant qu'avec le choix des matériaux appropriés, il y a beaucoup plus de place pour rétrécir notre électronique."

La clé était d'utiliser des nanotubes de carbone et du bisulfure de molybdène (MoS 2 ), un lubrifiant moteur couramment vendu dans les magasins de pièces automobiles. MoS 2 fait partie d'une famille de matériaux avec un immense potentiel d'applications dans les LED, laser, transistors nanométriques, cellules solaires, et plus.

Les résultats paraîtront dans le numéro du 7 octobre de la revue Science . D'autres enquêteurs sur cet article incluent Jeff Bokor, un chercheur principal du corps professoral au Berkeley Lab et un professeur à l'UC Berkeley; Chenming Hu, un professeur à UC Berkeley; Lune Kim, professeur à l'Université du Texas à Dallas; et H.S. Philippe Wong, professeur à l'Université de Stanford.

Le développement pourrait être essentiel pour maintenir en vie la prédiction du cofondateur d'Intel, Gordon Moore, selon laquelle la densité des transistors sur les circuits intégrés doublerait tous les deux ans, permettant l'augmentation des performances de nos ordinateurs portables, téléphones portables, téléviseurs, et autres appareils électroniques.

"L'industrie des semi-conducteurs a longtemps supposé que toute porte inférieure à 5 nanomètres ne fonctionnerait pas, donc tout ce qui est en dessous n'a même pas été pris en compte, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Sujay Desai, un étudiant diplômé dans le laboratoire de Javey. "Cette recherche montre que les portes de moins de 5 nanomètres ne doivent pas être négligées. L'industrie a retiré chaque bit de capacité du silicium. En changeant le matériau du silicium en MoS2, nous pouvons fabriquer un transistor avec une grille d'à peine 1 nanomètre de long, et l'actionner comme un interrupteur."

Quand « les électrons sont hors de contrôle »

Les transistors sont constitués de trois bornes :une source, un drain, et une porte. Le courant circule de la source au drain, et ce flux est contrôlé par la porte, qui s'allume et s'éteint en fonction de la tension appliquée.

Le silicium et le MoS2 ont tous deux une structure en réseau cristallin, mais les électrons circulant à travers le silicium sont plus légers et rencontrent moins de résistance par rapport au MoS2. C'est une aubaine lorsque la porte fait 5 nanomètres ou plus. Mais en dessous de cette longueur, un phénomène de mécanique quantique appelé effet tunnel se déclenche, et la barrière de grille n'est plus en mesure d'empêcher les électrons de passer de la source aux bornes de drain.

"Cela signifie que nous ne pouvons pas éteindre les transistors, " dit Desai. " Les électrons sont hors de contrôle. "

Parce que les électrons traversant le MoS 2 sont plus lourds, leur débit peut être contrôlé avec des longueurs de grille plus petites. MoS 2 peut également être réduit à des feuilles atomiquement minces, environ 0,65 nanomètres d'épaisseur, avec une constante diélectrique inférieure, une mesure reflétant la capacité d'un matériau à stocker de l'énergie dans un champ électrique. Ces deux propriétés, en plus de la masse de l'électron, aider à améliorer le contrôle du flux de courant à l'intérieur du transistor lorsque la longueur de grille est réduite à 1 nanomètre.

Une fois qu'ils se sont installés sur MoS 2 comme matériau semi-conducteur, il était temps de construire la porte. Réaliser une structure de 1 nanomètre, il s'avère, n'est pas une mince affaire. Les techniques de lithographie conventionnelles ne fonctionnent pas bien à cette échelle, les chercheurs se sont donc tournés vers les nanotubes de carbone, tubes cylindriques creux d'un diamètre aussi petit que 1 nanomètre.

Ils ont ensuite mesuré les propriétés électriques des dispositifs pour montrer que le transistor MoS2 avec la grille en nanotubes de carbone contrôlait efficacement le flux d'électrons.

"Ce travail a démontré le transistor le plus court de tous les temps, " dit Javey, qui est également professeur d'ingénierie électrique et d'informatique à l'UC Berkeley. "Toutefois, c'est une preuve de concept. Nous n'avons pas encore emballé ces transistors sur une puce, et nous ne l'avons pas fait des milliards de fois. Nous n'avons pas non plus développé de schémas de fabrication auto-alignés pour réduire les résistances parasites dans le dispositif. Mais ce travail est important pour montrer que nous ne sommes plus limités à une grille de 5 nanomètres pour nos transistors. La loi de Moore peut continuer un peu plus longtemps grâce à une ingénierie appropriée du matériau semi-conducteur et de l'architecture du dispositif."